馬兜鈴酸類化合物中，主要的毒性成分為馬兜鈴酸Ⅰ和馬兜鈴酸Ⅱ，其在硝基還原酶的催化下，一部分被還原為馬兜鈴內酰胺，另一部分在還原過程中進一步與DNA作用，形成加合物。
在馬兜鈴酸類衍生物對豬腎小管上皮細胞的毒性研究中發現，各衍生物毒性的強弱與其化學結構有關。硝基是馬兜鈴酸類衍生物中最主要的毒性基團，此外甲氧基和羥基的存在可以使馬兜鈴酸的毒性進一步加強。
其中馬兜鈴酸Ⅰ是馬兜鈴屬植物中毒性最強的成分。另有研究發現，不但馬兜鈴酸具有很強的腎毒性，其代謝產物馬兜鈴內酰胺同樣具有腎毒性。
又通過對馬兜鈴酸代謝過程及代謝酶的研究證實，馬兜鈴酸致突變和致癌毒性是由其代謝的中間產物馬兜鈴內酰胺氮離子引起的，因為它具有很強的親電能力，能與DNA堿基環外氨基親電結合，生成相應的加合產物，使RAS基因和P53基因發生突變，進而誘發腫瘤。